环形金属在微带天线雷达散射截面减缩的应用

刘英 于旭 龚书喜

(西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室,信息感知技术系统创新中心,西安710071)

环形金属在微带天线雷达散射截面减缩的应用

刘英 于旭 龚书喜

(西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室,信息感知技术系统创新中心,西安710071)

提出了一种利用环形金属结构实现低雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)的微带贴片天线．该结构由几个金属同心环排布而成．对典型的微带天线,通过在辐射贴片周围加载该环形结构,天线可以实现明显的宽带RCS减缩效果．实验结果表明:与参考天线相比,对于X极化垂直入射波以及Y极化垂直入射波在6～25 GHz范围内都有减缩效果,天线在12.8 GHz时可以达到30 dB的减缩量,同时天线的辐射特性得到保持．

雷达散射截面;微带天线;金属环状结构;宽带

引 言

雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)是衡量目标散射特性的一个非常重要的参数．随着军事探测技术以及隐身技术的快速发展,天线RCS的减缩也越来越受到国内外学者的强烈关注．目前,通过在天线上加载超材料来实现天线RCS减缩的方法被广泛使用．例如人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor, AMC)结构[1-3]、极化旋转超表面(Polarization Rotation Surface, PRS)结构[4-5]等．AMC结构对入射波具有同相反射特性,可以通过与理想电导体(Perfect Electric Conductor,PEC)复合排布使反射电磁波存在一定的相位差,通过相位相消原理来实现RCS减缩．而PRS可以控制反射电磁波的极化状态,例如当入射波是X极化时,反射波就是Y极化, 所以当电磁波照射时, 通过棋盘型结构排布,也可以实现一定相位差．上述超材料结构按照特定的排布加载在天线上能够实现RCS的减缩效果,但往往需要大规模周期性排列,加载很多单元结构,增加了天线制作的复杂性．

微带贴片天线[6-7]因其质量轻,轮廓低,易于加工且成本低,广泛被应用于低可见平台系统中．而天线做为一种特殊的散射体,是系统产生较强散射的一个重要因素,因此微带贴片天线的RCS减缩对隐身技术具有非常重要的意义．

本文将金属环状结构加载在微带贴片天线辐射体周围,该结构简单,易于实现与加工,只需在辐射天线周围加载几圈金属环状结构,就能充分利用该结构的特点,实现天线在很宽频带内的RCS减缩特性,且天线保持了良好的辐射性能．利用电磁仿真软件HFSS对该结构进行仿真模拟,在仿真优化天线性能的基础上制作加工了天线样品,测试结果与仿真结果吻合良好．

1 金属环形结构理论分析

1.1 环形金属结构减缩RCS分析

雷达散射截面的基本公式为

(1)

式中:Es是远场散射场；Ei入射平面波电场．假设入射波极化方向是x方向,传播方向是z方向,根据文献[9],对于单个环状金属结构,其对垂直入射波的散射大小可以表示为

(2)

式中:m表示金属环的厚度; n是金属环的半径大小; λ是波长．由式(1)可以知道散射场可以表示为[9]

(3)

当加载两个环时,金属环的散射场可以表示为

(4)

将式(4)、(2)代入式(1)得,加载两个环后目标总的RCS为

(5)

(6)

当2k(n1-n2)=180°时虚部为零,实部最小,式(6)达到最小值．依照相同的原理,当增加金属环的数目时,不同环之间对反射波都会产生相应的相位差,所以通过优化环的半径来控制环与环之间反射波的相位差,利用相位相消原理,从而达到RCS减缩效果．

如图1所示,分别对一个环,两个环直至多个环排布的情况进行RCS仿真,来验证其减缩的效果．设计的整体结构由方形金属环状结构、介质以及地板构成,其初始尺寸为:介质基板宽度a=70 mm,第一个方形环内半径为n=14 mm,环的宽度w=2.2 mm,环与环之间的间距为g=1 mm,基板厚度h=3 mm．

图1 方形环状结构图

图2 不同环数的RCS减缩特性

仿真结果如图2所示,给定环的半径大小,可以看出当环形结构环数从1增加到5时,其RCS的总体减缩效果越来越好,但是当继续增加到6个环时,RCS的减缩效果又开始变差．究其原因是由于除了不同环之间由于半径的不同而使反射波产生相位差外,金属环与金属地板之间对入射波的反射也会形成相位差．由于环数的增加,上层环形金属结构覆盖介质基板的面积增大,下层金属地板反射的波束变少,相位相消的总体效果变差．所以要合理地调节环的数目和半径才能达到最好的减缩效果．

1.2 不同环形结构的设计

根据1.1节所设计的正方形环状结构,当环的数目为五个时RCS减缩效果达到最佳．为了比较不同边数的环形结构对RCS的减缩效果,又分别设计了正六边形,正十二边形以及圆形金属结构,如图3所示,四种结构均是五个同心环排布,结构的最内环半径n1、环的宽度w以及相邻环之间的距离g都相等．分别对几种结构的RCS减缩效果进行仿真．

(a) 正四边形 (b) 正八边形

(c) 正十二边形 (d) 圆形图3 不同环形结构

图4 不同环状结构RCS的减缩特性

从图4可以看出,当环的边数逐渐增加时,RCS减缩的总体效果越来越好,当结构为圆环时减缩效果达到最佳．

2 实验结果分析

2.1 加载圆环形金属材料的天线辐射特性分析

为了验证设计效果,选用普通的微带贴片天线作为参考天线,天线介质板介电常数为ε=2.65,正方形介质基板a=70 mm,厚度h=3 mm,天线贴片大小L=16 mm．五个金属圆环加载在天线辐射贴片周围,加载圆环的最内环半径为n2=15 mm,环的宽度w皆为2.7 mm,环与环之间的距离g1都是1 mm,参考天线与设计天线结构如图5所示．为了验证仿真结果,参考天线和设计天线都进行了加工实测,实物如图6所示．图7为仿真与测试的天线反射系数曲线,从图可以看出参考天线与设计天线性能吻合良好,仿真与实测的中心频率稍有偏移是由于加工误差造成的．5.3 GHz处的天线辐射方向图如图8所示,对比曲线可知,设计天线与参考天线的实测方向图保持一致,增益仅降低了0.1 dB,设计天线的辐射特性保持良好．

(a) 参考天线 (b) 设计天线图5 天线结构

图6 参考天线与设计天线实物

图7 天线的反射系数曲线

(a) E面

(b) H面图8 5.3 GHz 天线方向图

2.2 加载圆环形金属材料的天线散射特性分析

设计天线在垂直入射时的单站RCS仿真与实测结果如图9所示．从图中可以看出,对于X极化入射波以及Y极化入射波,加载金属环形结构后的天线在6～25 GHz范围内都有明显RCS减缩效果,且在12.8 GHz时RCS的减缩量达到30 dB．由于测试条件有限,测试最高频率达到18 GHz,测试结果与仿真结果吻合良好．图10是X垂直极化波入射时其交叉极化波的RCS特性,对于参考天线和设计天线,当主极化波入射时其交叉极化RCS一直保持在-35 dB以下,验证了RCS减缩是由于相位相消原理而非极化旋转．图11是参考天线和设计天线在12.8 GHz时X垂直极化入射波的3-D双站RCS模式,对比可以看出,设计天线在+z方向的散射能量明显减少,所以天线在垂直方向的RCS得到明显减缩．

通过对微带天线单元加载环形结构后的辐射特性和散射特性分析, 可知该结构对微带天线单元有

(a) X极化垂直入射波

(b) Y极化垂直入射波图9 两种垂直极化入射波的RCS减缩特性

图10 X垂直极化入射波时交叉极化RCS特性

(a) 参考天线

(b) 设计天线图11 垂直入射时在12.8 GHz的3-D双站散射场

很好的RCS减缩效果．由于环形金属结构对天线的辐射特性影响很小,在微带阵列天线中,通过充分地利用阵列天线中辐射单元之间的空间,合理地加载环形结构在各个辐射体周围,并调整围绕辐射体的环形结构半径大小,可以实现阵列天线的宽带RCS减缩．在后续的工作中如何利用有限的空间布置更加紧密合理的环形结构从而实现阵列天线良好的宽带RCS减缩效果将会是研究的重点．

3 结 论

基于环形金属结构之间的散射特性,设计了一种低雷达散射截面的微带贴片天线．本文先研究了环的数量及形状对RCS减缩效果的影响,然后将圆形环状结构应用到微带贴片天线上,实现了宽带的RCS减缩．本设计结构简单,成本低且易于加工,对天线辐射性能影响较小,能在较宽的频带内实现RCS的减缩,为微带阵列天线的宽带RCS减缩提供了一种新的解决方法．

[1] JIANG W, LIU Y, GONG S, et al. Application of Bionics in antenna radar cross section reduction[J]. IEEE antennas wireless propagation letters, 2009, 8: 1275-1278.

[2] ZHENG Y J, GAO J, CAO X Y, et al. Wideband RCS reduction of a microstrip antenna using artificial magnetic conductor structures[J]. IEEE antennas wireless propagation letters, 2015, 14(99): 1582-1585.

[3] HOU Y C, LIAO W J, TSAI C C, et al. Planar multilayer structure for broadband broad-angle RCS reduction[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2016, 64(5): 1859-1867.

[4] LIU Y, LI K, JIA Y T, et al. Wideband RCS reduction of a slot array antenna using polarization conversion metasurfaces[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2016, 64(1): 326-331.

[5] JIA Y T, LIU Y, GUO Y J, et al. Broadband polarization rotation reflective surfaces and their applications to RCS reduction[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2016, 64(1): 179-188.

[6] 张明旭, 龚书喜, 刘英, 等. 利用接地板开槽减缩微带贴片天线的RCS[J]. 电子与信息学报, 2008, 30(2): 498-500.

ZHANG M X, GONG S X, LIU Y, et al. Reducing the RCS of microstrip patch antenna by cutting slots on the groundplane[J]. Journal of electronics and information technology, 2008, 30(2): 498-500.(in Chinese)

[7] 凌劲, 龚书喜, 张鹏飞, 等. 一种微带贴片天线RCS减缩新方法[J]. 西安电子科技大学学报, 2010, 37(2):295-299.

LING J, GONG S X, ZHANG P F, et al. Method for RCS reduction of the microstrip patch antenna[J]. Journal of Xidian University, 2010, 37(2): 295-299.(in Chinese)

[8] KNOTT E F, SHAEFFER J F, TULEY M T. Radar cross section[M]. New York: SciTech Publishing, 2004.

[9] CHEN S H, HOU Y C, LIAO W J. Multistep cylindrical structure design for wideband radar cross section reduction at normal incidence[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2015, 63(4): 1849-1853.

Radar cross-section reduction of a microstrip antenna using annulus metallic material

LIU Ying YU Xu GONG Shuxi

(KeyLaboratoryandMicrowaveTechnology,CollaborativeInnovationCenterofInformationSensingandUnderstanding,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

Annulus metallic material (AMM) is used in microstrip antenna to achieve low radar cross section(RCS) property in a wide frequency band. The structure is composed of several concentric annuluses. By placing the metallic annuluses around the radiation patch of the reference microstrip antenna, wideband monostatic RCS reduction is achieved. The results indicate that the proposed antenna possesses obvious RCS reduction from 6 GHz to 25 GHz for both x- and y-polarized vertically incident waves. The maximum reduction is achieved at 12.8 GHz for as much as 30 dB and the radiation performance of the antenna is well preserved.

radar cross section; microstrip antenna; annular metallic material (AMM); wideband

10.13443/j.cjors.2016120801

2016-12-08

国家自然科学基金(61372001)

TN82

A

1005-0388(2016)06-1107-06

刘英 (1977-),女,河南人,博士,西安电子科技大学教授,博士生导师,主要研究方向为电磁散射与隐身技术、天线理论与设计等．

于旭 (1990-),男,河南人,西安电子科技大学硕士研究生在读,主要研究方向为电磁散射与隐身技术等．

龚书喜 (1957-),男,河北人,博士,西安电子科技大学教授,博士生导师,天线与微波重点实验室主任,主要研究方向为天线与电磁理论．

刘英,于旭,龚书喜. 环形金属在微带天线雷达散射截面减缩的应用[J]. 电波科学学报,2016,31(6):1107-1112.

LIU Y, YU X, GONG S X. Radar cross-section reduction of a microstrip antenna using annulus metallic material[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(6):1107-1112. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016120801

联系人： 刘英E-mail: liuying@mail.xidian.edu.cn

DOI 10.13443/j.cjors.2016120801